CN112964830B - 一种测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，属于冶金工程领域。本发明所述方法为通过模拟实际冶金过程中的冶金熔渣的成分配制混合渣，以Cu作为金属熔体，C作为还原剂，通入CO气体，使所述混合渣中的SiO2与固态C反应，反应后生成的Si溶解进入金属熔体中，所述反应的化学方程式为：(SiO2)+2C(s)＝[Si]Cu+2CO(g)；反应达到平衡后冷却，并将金属与渣样分离，测定所述渣样中SiO2和金属中Si的含量，利用化学反应平衡常数推导出的公式计算得到SiO2的活度系数
Figure DDA0002926573320000011
和活度

Description

一种测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法
技术领域
本发明涉及一种测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，属于冶金工程技术领域。
背景技术
冶金熔渣中组元活度是冶金过程热力学中的一个十分重要的热力学性质，是冶金工作者对冶金过程进行热力学研究以及制定冶金工艺、设计冶金设备和进行冶金工艺和设备改造所需的重要参数，一直是冶金热力学领域研究的热点。当前虽然已经积累许多有关的实验测定数据，但随着新型钢铁材料的不断涌现，这些新钢种中往往含有大量的、在以往的钢铁材料中往往含量不高的活泼金属元素，如铝、锰和硅等，在研究其大规模生产的冶炼工艺及连铸工艺中往往需要有反应体系中渣中SiO2的活度系数和活度数据，而往往没有这些新钢种冶炼或连铸中所涉及的渣系中SiO2的活度系数和活度方面的数据，而采用有关的理论模型进行计算，由于所涉及的渣系成分复杂，加上含SiO2熔渣结构的复杂性，因此针对这些新渣系所得的模型计算结果往往存在较大的误差，不能适用，因此往往需要实验测定。
在现有的研究中，对于熔渣中SiO2活度系数和活度的测定，通常采用化学平衡法，并多采用铁液作为参考金属，C作为还原剂，而用铁液做参考金属，不能用于1530℃以下温度的熔渣中SiO2活度系数和活度的测定。在现有文献中也有以铜等低熔点金属为参考金属的，但其实验中一次往往只能放置1～3个坩埚，一次只能测定1～3个成分的熔渣的SiO2活度系数和活度。此外，现有的SiO2活度系数和活度的测定中，吹气流量往往低于300mL/min，在此流量下，炉内的氧势往往不易控制，由于较高氧势的炉气中的氧极易参与炉内的金-渣-气间的反应，从而影响活度系数和活度测定结果的可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：如何高效、准确地测定冶金熔渣中SiO2的活度系数和活度的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，模拟冶金熔渣的成分，配制混合渣，以Cu作为金属熔体，将金属Cu和配制好的混合渣放入石墨坩埚中，通入高纯CO气体或高纯CO+高纯 Ar的混合气体作为平衡气，使所述混合渣中的SiO2与石墨坩埚中的C反应，反应生成的硅进入所述金属熔体中；反应达到平衡后冷却，并将金属与渣样分离，测定所述渣样中SiO2的含量和金属中Si的含量，利用化学反应平衡常数推导出的式I和式II分别计算得到活度系数
Figure BDA0002926573310000021
和活度
Figure BDA0002926573310000022
Figure BDA0002926573310000023
Figure BDA0002926573310000024
式I和式II中，K为反应平衡常数，xSi为金属铜中Si的摩尔分数，pCO是 CO的压强，
Figure BDA0002926573310000025
为渣样中SiO2的摩尔分数，
Figure BDA0002926573310000026
为金属铜中Si为极稀溶液时的活度系数，其中，K值和
Figure BDA0002926573310000027
值均可由热力学手册查得；此时，渣中SiO2的活度标准态为固态纯物质，液态铜中硅的活度标准态为液态纯Si。
其中，式I和式II的具体推导过程如下：
根据化学反应方程式：SiO2(s)+2C(s)＝Si(l)+2CO(g)。反应达到平衡时的平衡常数为：
Figure BDA0002926573310000028
由于Cu液中的Si以液态纯Si为活度标准态，则液态铜中硅的活度 aSi＝xSi×γSi，γSi为Si的拉乌尔活度系数，xSi为液态铜中Si的摩尔分数；渣样中的SiO2选择固态纯SiO2作为活度标准态，渣样中SiO2的活度
Figure BDA0002926573310000029
Figure BDA00029265733100000210
为渣样中SiO2的摩尔分数，可由化学分析所获得，
Figure BDA00029265733100000211
为 SiO2的活度系数，
Figure BDA00029265733100000212
为SiO2的活度，即所需测得的量；由于反应中固态C处于饱和状态，故碳的活度值取为1，即aC＝1；K为测定温度下达到平衡时的平衡常数；pCO是CO压强；则渣中SiO2的活度系数
Figure BDA0002926573310000031
为：
Figure BDA0002926573310000032
如果xSi的浓度低，则
Figure BDA0002926573310000033
(极稀溶液)，由于金属铜液中的Si的浓度很低，且铜液中
Figure BDA0002926573310000034
直可查热力学表得到，则推导出计算渣样中SiO2的活度系数
Figure BDA0002926573310000035
的式I和计算渣样中的活度
Figure BDA0002926573310000036
的式II：
Figure BDA0002926573310000037
Figure BDA0002926573310000038
优选地，所述方法包括如下步骤：
步骤1：选用SiO2、CaO、Al2O3、MgO和MnO配制成混合渣，依次将铜粉和所述混合渣放置在石墨坩埚中，外套刚玉坩埚，再放置在井式炉的炉膛内，所述井式炉的炉膛的上部设有密封盖，所述密封盖上设有气体通道；
步骤2：通过所述气体通道往炉膛内通入高纯Ar，将炉膛内的空气排净，调整高纯Ar流量；
步骤3：送电升温，当温度达到设定值后，通入高纯CO气体或CO+Ar混合气体作为平衡气，直到混合渣中的SiO2和石墨坩埚中的C在所述气氛下反应达到平衡状态；
步骤4：反应结束，停止送电，停止通入CO气体，调整高纯Ar流量用以保护混合熔渣；
步骤5：关闭电源，从炉膛内取出刚玉坩埚，并立即用Ar气吹所取出的刚玉坩埚内的所述反应结束后的渣面以使坩埚温度迅速降到室温，坩埚冷却后分离金属和渣样，分析所述渣样中的SiO2和金属中Si的含量，计算出SiO2的活度系数和活度。
优选地，所述步骤1中的铜粉和混合渣的质量比为1∶3～3∶1。
优选地，所述步骤1中井式炉的炉膛内放置刚玉坩埚的数量为1～13个。
优选地，所述步骤2中通入高纯Ar的流量为500～1200mL/min，所述调整高纯Ar流量具体调整为300～800mL/min。
优选地，所述步骤3中送电升温所达到的温度为1150-1750℃，具体温度根据用户所需测定的温度确定。
优选地，所述步骤3中通入高纯CO气体的流量为100～800mL/min。
优选地，所述步骤3中反应的时间为25～30h。
优选地，所述步骤4中调整高纯Ar流量具体调整为1000～1200mL/min。
优选地，所述步骤5中Ar气的流量为100～1200mL/min。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，采用金属铜作为参考金属，可以用于1150℃～1750℃温度下的熔渣中组分活度系数和活度的测定；
2.本发明的方法氧势控制好，避免了气氛中的氧参与反应而影响测定结果的准确性，测定结果稳定可靠；
3.本发明的方法可一炉同时测定多个熔渣中SiO2的活度系数和活度，节约了时间成本和能耗成本，基于SiO2的活度系数和活度，可以有效地制定新钢种的冶炼工艺和连铸工艺。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
实施例1
一种测定冶金熔渣中SiO2活度的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照预定的成分，配置6份(编号为1#-6#)浓度不同的含CaO、 SiO2、Al2O3、MnO和MgO的混合渣15g(各成分的具体配料量如表1所示)，按等量的金属铜粉(15g)在下，混合渣在上放置在内径26mm、高度40mm的石墨坩埚中，外套刚玉坩埚，再放置在内直径为140mm的井式炉炉膛内，炉膛上部采用顶盖密封，顶盖上留有8mm直径的孔，插入一根通气管。
步骤2：先从通气管处通以1200mL/min的高纯Ar；20min后炉膛空气基本排净；此时将Ar流量调整为500mL/min，在此期间不可将顶盖打开；
步骤3：送电升温，待升温至1450℃开始保温，同时通入200mL/min的高纯CO气体，待20min后，炉内温度和成分均匀，计时开始；
步骤4：计时30h后停止保温，停止通入CO气体，Ar流量调整为1200mL/min 用以保护熔渣及Cu金属熔体；
步骤5：关闭电源，从炉膛内一一取出坩埚，每取出一个坩埚立即向坩埚内的渣面上吹Ar气，待坩埚冷却后分离金属样和渣样，并进行化学成分分析。
步骤6：通过化学分析得到的数据，pCO为200/700atm，由式I和式II分别计算得到SiO2的活度系数
Figure BDA0002926573310000051
和活度
Figure BDA0002926573310000052
计算结果如表1所示。
实施例2
一种测定冶金熔渣中SiO2活度的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照预定的成分，配置3份(编号为7#-9#)浓度不同的含CaO、 CaO、SiO2、Al2O3、MnO和MgO的混合熔渣15g(各成分的具体配料量如表1 所示)，按等量的金属铜粉在下，混合渣在上放置在内径26mm，高度40mm的石墨坩埚中，外套刚玉坩埚，再放置在内直径为140mm的井式炉炉膛内，炉膛上部采用顶盖密封，顶盖上留有8mm直径的孔，插入一根通气管。
步骤2：先从通气管处通以1200mL/min的高纯Ar；20min后炉膛空气基本排净；此时将Ar流量调整为500mL/min，在此期间不可将顶盖打开；
步骤3：送电升温，待升温至1450℃开始保温，同时通入200mL/min的高纯CO气体，待20min后，炉内温度和成分均匀，计时开始；
步骤4：计时30h后停止保温，停止通入CO气体，Ar流量调整为800mL/min 用以保护熔渣及Cu金属熔体；
步骤5：关闭电源，从炉膛内一一取出坩埚，每取出一个坩埚立即向坩埚内的渣面上吹Ar气，待坩埚冷却后分离金属样和渣样，并进行化学成分分析。
步骤6：通过化学分析得到的数据，pCO为200/700atm，由式I和式II分别计算得到SiO2的活度系数
Figure BDA0002926573310000053
和活度
Figure BDA0002926573310000054
计算结果如表1所示。
实施例3
一种测定冶金熔渣中SiO2活度的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照预定的成分，配置1份(编号为10#)含CaO、SiO2、Al2O3、 MnO和MgO的混合渣15g(各成分的具体配料量如表1所示)，按等量的金属铜粉(15g)在下，混合渣在上放置在内径26mm，高度40mm的石墨坩埚中，外套刚玉坩埚，再放置在内直径为140mm的井式炉炉膛内，炉膛上部采用顶盖密封，顶盖上留有8mm直径的孔，插入一根通气管。
步骤2：先从通气管处通以1200mL/min的高纯Ar；20min后炉膛空气基本排净；此时将Ar流量调整为500mL/min，在此期间不可将顶盖打开；
步骤3：送电升温，待升温至1450℃开始保温，同时通入200mL/min的高纯CO气体，待20min后，炉内温度和成分均匀，计时开始；
步骤4：计时30h后停止保温，停止通入CO气体，Ar流量调整为500mL/min 用以保护熔渣及Cu金属熔体；
步骤5：关闭电源，从炉膛内取出坩埚，每取出一个坩埚立即向坩埚内的渣面上吹Ar气，待坩埚冷却后分离金属样和渣样，并进行化学成分分析。
步骤6：通过化学分析得到的数据，pCO为200/700atm，由式I和式II分别计算得到SiO2的活度系数
Figure BDA0002926573310000061
和活度
Figure BDA0002926573310000062
计算结果如表1所示。
表1实施例1-3的熔渣中SiO2活度系数和活度测定的结果
Figure BDA0002926573310000063
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，模拟冶金熔渣的成分，配制混合渣，以Cu作为金属熔体，将金属Cu和配制好的混合渣放入石墨坩埚中，通入高纯CO气体或高纯CO+高纯Ar的混合气体作为平衡气，使所述混合渣中的SiO2与石墨坩埚中的C反应，反应生成的硅进入所述金属熔体中；反应达到平衡后冷却，并将金属与渣样分离，测定所述渣样中SiO2的含量和金属中Si的含量，利用化学反应平衡常数推导出的式I和式II分别计算得到活度系数
Figure FDA0003745812140000011
和活度
Figure FDA0003745812140000012
Figure FDA0003745812140000013
Figure FDA0003745812140000014
式I和式II中，K为反应平衡常数，xsi为金属铜熔体中Si的摩尔分数，pCO是CO压强，
Figure FDA0003745812140000015
为渣样中SiO2的摩尔分数，
Figure FDA0003745812140000016
为金属铜中Si为极稀溶液时的活度系数，其中，K值和
Figure FDA0003745812140000017
值均可由热力学手册查得；
具体包括如下步骤：
步骤1：选用SiO2、CaO、Al2O3、MgO和MnO配制成混合渣，依次将金属铜粉和所述混合渣放置在石墨坩埚中，外套刚玉坩埚，再放置在井式炉的炉膛内，所述井式炉的炉膛的上部设有密封盖，所述密封盖上设有气体通道；
步骤2：通过所述气体通道往炉膛内通入高纯Ar，将炉膛内的空气排净，调整高纯Ar流量；
步骤3：送电升温，当温度达到设定值后，通入高纯CO气体或高纯CO+高纯Ar的混合气体作为平衡气，直到混合渣中的SiO2和石墨坩埚中的C反应达到平衡状态；
步骤4：反应结束，停止送电，停止通入CO气体，调整高纯Ar流量用以保护混合熔渣；
步骤5：关闭电源，从炉膛内取出刚玉坩埚，并立即用Ar气吹所取出的刚玉坩埚内的所述反应结束后的渣面以使坩埚温度迅速降到室温，坩埚冷却后分离渣样和金属，分析渣样中的SiO2和金属中Si的含量，计算出SiO2的活度系数和活度；
所述步骤2中通入高纯Ar的流量为500～1200mL/min，所述调整高纯Ar流量具体调整为300～800mL/min；
所述步骤3中通入高纯CO气体的流量为100～800mL/min。
2.如权利要求1所述的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，所述步骤1中的铜粉和混合渣的质量比为1:3～3:1。
3.如权利要求1所述的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，所述步骤1中井式炉的炉膛内放置刚玉坩埚的数量为1～13个。
4.如权利要求1所述的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，所述步骤3中送电升温所达到的温度为1150-1750℃。
5.如权利要求1所述的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，所述步骤3中反应的时间为25～30h。
6.如权利要求1所述的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，所述步骤4中调整高纯Ar流量具体调整为500～1200mL/min。
7.如权利要求1所述的测定冶金熔渣中SiO2活度系数和活度的方法，其特征在于，所述步骤5中Ar气流量为100～1200mL/min。
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